一图详解java-class类文件原理

摘要：徒手制作一张超大的类文件解析图，方便通过浏览这个图能马上回忆起class文件的结构以及内部的指令。

本文分享自华为云社区《【读书会第十二期】这可能是全网“最大“、“最细“、“最深”的一份java-class类文件原理图解了！》，作者： breakDawn。

借着华为云读书会的活动，重读了一遍《深入理解java虚拟机》。在阅读中， 用processorOn做了一副超大的类文件解析图，方便自己通过浏览这个图能马上回忆起class文件的结构以及内部的指令。

下面的内容是拆分后的内容，对于每块拆分的内容，会有详细的解释。

魔数、版本号

• 每类文件都有一个魔数，用于快速校验文件类型。
• 对于高低版本号，只要明确java11\java8这种版本是主版本号
• 永远向下兼容， 即高版本jvm可以读取低版本的class文件， 但是低版本的jvm无法读取高版本的class文件。

常量池（常量池个数、多个常量项）

大部分文件协议格式中，都会先给定一个某项的数量长度，再决定某项的个数，方便确认遍历几次才结束。常量池的设置也是这个原理。

因此学习java的class格式，对我们设计某些文件格式或者协议都是一种不错的借鉴。

Q：常量池中的常量到底是干嘛的？和我们理解的static final String xxx常量是一个意思吗？

A：不对！代码中定义的final类型字符串常量只是一种用途。更重要的一种用途是符号引用。
而对符号引用的理解，是对java类文件原理最难也最重要的地方。
直接去解释符号引用的话，还是很难理解的，因此我们按下不表，在第4部分“类索引”部分会给出详细解释。

Q：常量池的索引计数为什么从1开始（即其他地方要使用常量池的第一个常量时，必须写成1而不是0）？
A：因为要留一个0，表示不引用任何常量

• 举例：匿名类就是没有名字的，但是类文件结构中，类名那边总需要填入类名常量索引，因此可以填入0，表示“没有类名”的意思。
• 再来一个例子：object类，是没有父类的，所以他的父类那一栏填的常量索引也是0
• 对于常量池的作用，后面会有更详细的体现和解释。

类定义的第一行（类访问标志、本类、父类、实现接口）

为什么叫类定义的第一行，因为这就来自我们写每个类时的第一行内容。

例如

public abstract class A extend B implement C,D

这句话对应的所有信息就包含在了上图中，因此我叫他“类定义的第一行”

CONSTANT_class_info这个类常量到底是干嘛的？

从图上可以看到，他其实就是指向了一个表示类名的字符串常量。这里也可以看到，java文件中的所有名称例如类名、方法名、字段名，都会以Utf_info的形式，存储在常量池中。

Q：为什么要这样多走一层？为什么不能直接指向一个字符串常量？
A：这个问题我没找到解释，但可以理解为这是最基础的一层封装。

字段表（字段数量，各字段（修饰符、名、类型、属性））

可以看到，字段名、字段类型分别对应了2个字符串常量。特别注意字段类型使用一个字符串来表示的，而不是一个constant_field_info。

那么constant_field_info是干嘛的呢？

Q：字段修饰符中的synchetics指的是编译器自动生成的字段，怎么理解呢？什么情况下会用到？
A：找到一个简单的例子(代码出处:知乎-不凋花),用枚举做switch：

enum Foobar {
    FOO,
    BAR;
}
class Test {
    static int test(Foobar var0) {
        switch (var0) {
            case FOO:
                return 1;
            case BAR:
                return 2;
            default:
                return 0;
        }
    }
}

switch的原理，我们应该很容易想到，就是做一次顺序检查，那么检查时，肯定程序里需要有一个列表吧，因此上面switch的背后逻辑代码是长这样的：

class Test$1 {
    static final int[] $SwitchMap$Foobar;
    static {
        $SwitchMap$Foobar = new int[Foobar.values().length];
        try {
            $SwitchMap$Foobar[Foobar.FOO.ordinal()] = 1;
        } catch (NoSuchFieldError e) {
            ;
        }
        try {
            $SwitchMap$Foobar[Foobar.BAR.ordinal()] = 2;
        } catch (NoSuchFieldError e) {
            ;
        }
    }
}

可以看到有一个“static final int[] SwitchMapSwitchMapFoobar;”， 这个静态数组字段，就是编译器帮忙生成的字段，他会被标记成synchetics

Q：上面可以看到每个字段项的最后包含属性数量和属性长度，那么class中的属性和上面的“字段名”、“字段类型”有什么区别呢？
A：属性是可有可无的，而且提供了高度的“jvm可扩展性”。

换言之，在jvm虚拟机规范中，“字段修饰符”、“字段名”、“字段类型”都是必备的，而属性则没有限制。因此我们甚至可以自己实现一个虚拟机，定义新的属性，在class中加上属性项然后自己使用

对于属性作用的更详细理解，可以看后面的方法章节，方法中的属性是比较重要且用得最多的。从字段属性可以看到， 类似于static final int a =10这种常量，就是通过属性里的constant属性来设置的。有个泛型签名的属性，可能不太好马上理解，后面在方法章节中会一并提到这个属性的作用！

方法表（方法数量、方法项（修饰符、名、描述、属性））

class文件中，最值得学习的就是常量池和方法表了！

方法修饰符中的桥接

对于方法修饰符，大部分都很好理解，有2个修饰符需要关注：“bridge”和“synthetic”。

其实很多bridge桥接方法本身也是synthetics系统生成的，所以我不太想去区分二者，只要关注他们2个用来做什么。

思考下面这个问题：

1. 假设有个非公开的类A，A中有个public方法f()，有个继承自A的公开类B，没有重写f()，那么外部是否可以调用b.f()？

private static class A {
    f() {..}
} 

public static class B extend A{
    // 不重写任何方法
}
public static void main(String args[]) {
    B b = new B();
   b.f();
}

我们很容易可以得出b.f()可以调用的结论。

但由于B没有重写f(), 所以对于编译后的B.class而言，这意味着不会在class文件中包含f方法。那么当执行f时，通过多态，会定位到A.f()，此时A是非公开的类，权限就会出错，因为不允许直接引用非公开的类的方法，只能间接使用。

如何解决？要修改多态的动态分派校验机制吗？

不需要，编译器为了方便，直接为我们在B中重写了f()来间接调用父类方法，类似于

public void f() {
    super.f()
}

这样的话就不用担心外部调用者没有权限使用A.f()了。

2. 有个泛型基类Base<T>，包含一个方法f(T t), 有个子类Sub<String>, 实现了方法f(String s)， 两个f方法的入参并不一致，为什么还多态的机制还能生效？

class Base<T> {
    f(T t);
}

class Sub extend Base<String>{
    f(String t);
}

这2个方法的入参确实不同， 前者的方法签名是f(Ljava/lang/Object;)V， 后者是f(Ljava/lang/String;)V。 多态（动态分派）的规则也没有变，确实是要求入参一致。

因此编译器为Sub类自动生成了一个f(Ljava/lang/Object;)V,代码如下：

public void f(Object o) {
    this.f((String)o);
}

这样多态的机制也能实现了。

可以看到这一切都是为了适配多态，同时避免过多的特殊逻辑，因此使用桥接方法，来生成了我们看不到的重写方法

从下面可以看到， 方法描述符是一个**包含“入参和返回值”**的描述符

因此，java是允许 同入参、同方法名、不同返回值的方法存在于同一个class文件中的。

这是不是有点反常识？这种情况我们好像编写不出来的，编译器不会通过！

其实这也是桥接+自动生成才会有这种情况。前文的泛型例子，用泛型T做入参，会生成一个桥接方法，和父类的匹配。

那么如果泛型T是一个返回值呢:

class Base<T> {
    T f();
}

class Sub extend Base<String>{
    String f();
}

那么也是一样的道理，桥接了一个父类的f方法，但仅仅是返回值不同而已。所以会出现只有返回值不同的方法。

方法表的属性和字段的属性类似， 也是属性数量 + N个属性项。但是方法表属性里的干货就更多了！

属性的结构

之前字段属性中没提到属性到底长啥样，以方法中的throws异常属性为例，：

从这里可以看到，每个属性都有个属性名，和常量不同，区分不同常量用的是1个2字节的数字，而属性则是用一个字符串来表示。

这样的区别就是因为常量个数有限，而属性为了扩展性，不能存在数量限制。

另外从这也可以知道， 我们在方法名上写的f() throws IOException 都是存在于异常属性中的。

最关键的Code属性

Code属性是方法属性中最最最重要的属性。他告诉我们编译器是怎样将我们的文本代码封装成一个class文件的。

首先，code属性的属性名就是一个“Code”

操作数栈、局部变量表大小、指令码数量

接着会包含3个重要的内容：max_stack、max_local和code_length

从max_stack和max_local我们可以看到，操作数栈和局部变量表的大小，已经在class文件中计算出来了，因此当开辟一个新的栈帧时，jvm便能够知道给这个方法开辟多大的空间，不用担心栈上分配不够的问题。

注意，是操作数栈的大小，而不是程序执行的栈的深度，程序可没法感知我们能够递归多少次。

指令码解读

code_length代表了我们这个方法在编译后，有多少条字节码指令，而后面紧跟着的，就是对应数量的java字节码指令了。

指令码种类非常多，这里只列举关键的一些信息。

数据计算用的指令码

首先，每种涉及基本数据类型的计算指令，都会在指令最前方，携带一个T，如图：

里面有句话：“不是每种数据类型和每个操作都有指令对应（否则数量太多）”

这句话怎么理解呢，可以结果图上右侧的表格，从而得知，有些指令是不包含所有类型的，所以可能会借用一些的技巧，比如把byte、short都视为int在操作上去操作。

对象操作的指令码

另一个类指令码是和对象操作有关，例如：

可以看到，当试图获取一个类字段时，他指向的是一个class_field_info常量索引，这个常量会提前被放进class文件的常量池中。

Q: 为什么它只包含了类引用和名称呢，我怎么知道我调用的是哪个对象的字段？
A: 你要调用的对象，已经通过前面提到的操作数栈相关指令，把引用放到了操作数栈的第一个，因此，jvm只要取栈顶对象，然后根据名字进行字段操作即可，后面的方法调用也是一样的道理。

Q : 另外可以看到，new对象和new数组，用的是2个不同的指令，为什么要有区分？不能把数组当成一个java对象吗
A:这要从对象的内存结构，以及类加载机制上去思考。
因为数组的对象头，和普通对象的对象头是不一样的。

• 数组的对象头中包含了数组长度，而普通对象没有
• new一个数组时，数组中包含的类并不会做类加载。
  有这么多区别，肯定是新增一个单独针对数组的指令来处理，要简单很多

操作数栈指令

其他指令好理解， 但操作数栈指令有个dup_x指令，例如dup1_1 就是复制栈顶并再放入1个。为什么需要这么一个指令？

其实当我们调用 A a = new A()时，这一句话生成的指令中就包含了dup指令
因为当我们new出1个A引用时，它有两件事要做：

1. 调用A的构造函数。
2. 把引用地址赋值给a这个局部变量
   而每件事都会消耗一个A的引用！所以才需要赋值。
   因此可以看到，指令码很多时候都是基于操作数栈进行操作的，每操作一个数据或引用，就消耗一个

方法调用指令

对于方法调用指令，和前面的类字段调用有点像，也是一个方法常量，方法常量包含类索引和方法描述索引。对于方法究竟是如何触发调用实现多态的、invokevirtual指令和invokedynamic指令有什么区别，这个内容就更多了，后面我会放到类加载的图解笔记中讲解。

异常表属性

指令码结束后，后面会紧跟着一个异常表。表中的每一行长这样：

是不是恍然大悟，原来try-catch代码的逻辑在这边， 它本质上就是抛异常时，根据try的位置和异常类型，这个异常表中进行查找到对应的catch代码位置，从而实现异常处理。

Q: 那finally的操作被放到哪了？catch操作完了之后，它怎么知道要跳转到哪里？
A: finally模块在java语言中是必须执行的，在编译的时候，通过将finally中代码块分别在try模块的最后和catch模块的最后都复制了一份，通过这样来保证finally的必定执行

Q: 有一个问题，对于synchronized关键字，它本质是生成了monitorenter和monitorexit两个指令（上面方法调用指令里的最后2个）。但如果发生了异常，那会不会无法monitorexit了？
A: 生成code字节码时，jvm会自动为synchronized生成1个默认的异常表和throw指令，保证中间同步块发生异常时，monitorexit能够正确被指令（类似于放了一个自动生成的try-catch代码，或者在已有的catch操作后添加）。

Q: 前面提到方法属性中，已经有一个名叫“Exception”的属性，和这个code属性中的异常表有什么区别？
A: 上面code异常表指的是代码执行时try-catch的逻辑部分
而方法中的exception属性则是方法名上所声明的throws异常。

Code的扩展属性

在code属性中，竟然还携带了属性，也就是说，是允许“属性中的属性”。毕竟属性的实现是可以完全自定义的，那么自己给自己新增额外特性完全是允许的。

里面有个属性叫“局部变量描述属性”，长这样：

从这里，你就能明白，为什么你从IDEA里看到反解后的class文件，有时候是var1、var2之类莫名其妙的局部变量，有时候却又能看到完整的变量名了吧？就是通过这个属性决定的。毕竟存储局部变量名的代价还是很高的。

其他的方法属性

泛型签名这个属性很迷惑，不是有泛型擦除吗，为什么还需要这个属性？

其实泛型签名属性是为了方便反射的。

我们通过前面关于桥接的原理，可以知道编译时会发生泛型擦除，方法入参都变成了object。

但是反射API可能希望获取泛型信息因此可通过这个扩展属性进行获取。所以会增加这个属性，从而能感知一些泛型属性相关的信息。

类属性

既然方法和字段都有属性，那么类肯定也有属性：

其他属性都比较好理解或者不重要，重点讲一下内部类属性。

通过内部类属性，我们可以看到内部类并不是直接包含在这个class文件中，它其实是生成了另一个class文件，所以才需要一个内部类属性，来确认对应的名字，方便类加载时能找到内部类。

Q: 为什么内部类属性中，要包含宿主类的类名？难道宿主类，不就是它本身吗？

A: 因为，内部类中，还可以继续定义内部类哦！

另外，从上面的一些属性中可以看到， 很多debug用的调试、展示信息，都会包含在class中

因此，当我们希望调试一些环境上执行的程序时，如果想提供最为贴近原代码，那就需要class文件中能有充足的信息，如果想要class文件小，那就去掉，具体怎么去掉或者添加，肯定就是一些编译选项的区别了。

最后的完整图

好累，终于写完了，感觉能看到最后的人不会太多，但一通详细地分析和解决中间发现的问题，还是收获了不少。

最后贴上完整的大图，欢迎保存和收藏。

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